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In der Schweiz gibt es eine sehr grosse Anzahl rund 100-jährige Stützbauwerke aus Naturstein-mauerwerk, die heute immer noch rege genutzt werden. So befinden sich z.B. alleine an der Klausenstrasse ca. 400 solcher Bauwerke. Schweizweit wird die Anzahl der Bauwerke auf mindestens 18‘000 geschätzt. Ein schneller Ersatz dieser grossen Anzahl von „betagten“ Bauwerken ist nicht finanzierbar und auch volkswirtschaftlich nicht vertretbar. Folglich muss es das Ziel sein, die Nutzungsdauer dieser Bauwerke zu optimieren. Der erste Schritt hierzu, liegt in der Beurteilung des Zustandes der Bauwerke und des sich daraus ergebenden Handlungsbedarfs. Bisher fehlte eine klare Systematik zur Beurteilung des Zustandes solcher Bauwerke in der Schweiz.

Am Competence Center Konstruktiver Ingenieurbau, vormals Institut für Bautechnik Luzern, der Hochschule Luzern wurde auf Anregung des Amts für Tiefbau des Kantons Uri in den vergangenen 8 Jahren ein Rating-System zur Beurteilung von Stützbauwerken aus Natursteinmauerwerk entwickelt und bereits bei verschiedenen Projekten angewendet. Das Ziel dieses Rating-Systems ist es, sowohl den Zustand der Stützbauwerke aus Natursteinmauerwerk als auch deren konstruktiven Eigenschaften zu bewerten. Weiterhin fliessen die Gegebenheiten aus dem Umfeld des Bauwerks (Bewuchs am bzw. auf dem Bauwerk, Eigenschaften des Untergrunds, Topographie, etc.) bei diesem Bewertungssystem mit ein. Es erfolgt somit eine gesamtheitliche Betrachtung des Bauwerks.

Bei der Beurteilung der konstruktiven Eigenschaften dieser alten Bauwerke ergeben sich in der Regel ungenügende Rating-Werte, da Angaben zu den konstruktiven Eigenschaften meist fehlen und heute nur mit sehr grossem Aufwand, d.h. durch ein Öffnen des Mauerwerks und somit der Zerstörung der Bausubstanz, gewonnen werden können. Hinzu kommt, dass auch bei einem Öffnen des Mauerwerks genau genommen die gewonnenen Informationen immer nur für einen lokalen Ort gelten und daher nur bedingt auf das gesamte Bauwerk übertragen werden können.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden daher Untersuchungen mit verschiedenen zerstörungsfreien Prüfverfahren ausgeführt, um deren Eignung hinsichtlich einer einfachen und kostengünstigen Bestimmung von konstruktiven Eigenschaften von Stützbauwerken aus Natursteinmauerwerk zu prüfen sowie die Messmethoden für die Aufgabenstellung weiter zu entwickeln und zu optimieren.

Die Kombination aus Rating-System und zerstörungsfreien Prüfmethoden hilft ein unvorhergesehenes Tragverhalten, Schädigungsmechanismen und Gefährdungen möglichst frühzeitig zu erkennen und unterstützt damit die Vorgaben, die sich aus der neuen Norm SIA 269 und ihrer Unternormen für die Erhaltung von Bauwerken ergeben.
Mit dem Projekt wird somit ein weiterer Schritt hin zu einer Systematik getan, die zur Verfügung stehenden finanziellen Mittel für den Unterhalt solcher alten Verkehrswegebauten optimal einzusetzen.

Für die Messungen am Mauerwerksverbund wurde an der Hochschule Luzern - Technik & Architektur eine Stützmauer aus Natursteinmauerwerk nach historischem Vorbild nachgebaut. Damit verschiedene Mauerwerksarten bzw. «Alterungszustände» untersucht werden können, wurde die Stützmauer in 3 Teilbereiche unterteilt, bestehend aus Trockenmauerwerk (Teil A), vermörteltem Mauerwerk (Teil B) und im dritten Teilbereich (Teil C) wurde der Fugenraum mit Sand verfüllt zur Simulation von vollständig zersetzten Mörtel.

Am Mauerwerksprobekörper wurden 2 Messkampagnen durchgeführt. Die ersten Messungen wurden vor der Hinterfüllung der Natursteinmauer mit einem Kiessand ausgeführt, da in diesem Fall der Kontrast sowohl für die elektromagnetischen als auch die akustischen Wellen am grössten ist. In einer zweiten Messkampagne wurden Messungen nach der Hinterfüllung des Mauerwerksprobekörpers ausgeführt.

Den Abschluss der Messungen mit zerstörungsfreien Prüfmethoden an Natursteinmauerwerk stellten in situ Messungen an dem Stützbauwerk Eggental dar. Die Mauer Eggental befindet sich an der Klausenstrasse im Kanton Uri. Da dieses Stützbauwerk aufgrund einer starken Ausbauchung in einem Teilstück rückgebaut werden musste, konnte der Aufbau dieser Mauer studiert und fotografisch dokumentiert sowie mit den Messergebnissen direkt verglichen werden.

Im Einzelnen kamen infolge verschiedene Messmethoden zum Einsatz
Georadar
Mit dem Georadar wurden sowohl Messungen an Einzelsteinen als auch Messungen am Mauerwerks-probekörper ohne und mit Hinterfüllung ausgeführt. Der im vorderen Mauerwerksteil eingebaute Hohlraum konnte eindeutig identifiziert werden. Auch hinter die Mauer eingestellte Stahlplatten lassen sich in den Radargrammen erkennen. Die Rückseite der Mauer zeichnet sich in den Radargrammen bei den Mauerwerksteilen A und C ohne Hinterfüllung als signifikante Reflexion ab und die Mauerwerksstärke kann somit bestimmt werden. Im Teil B mit vermörteltem Mauerwerk ergaben sich deutlich weniger und schwächere Reflexionen als bei den beiden anderen Mauerwerksteilen. Eine Erklärung für dieses Phänomen dürfte darin liegen, dass es sich bei dem verwendeten Mörtel, analog zu historischen Mörteln, um einen Kalkmörtel handelt, der Feuchtigkeit „anzieht“. Diese Feuchtigkeit könnte zu einer höheren Leitfähigkeit in diesem Mauerwerksteil führen und damit die Ausbreitung und die Eindringtiefe der Georadarwellen beeinträchtigen.
Nach der Hinterfüllung des Mauerwerksprobekörpers mit einem Kiessand waren die zuvor deutlichen Rückwandreflexionen in den Radargrammen bei den Mauerwerksteilen A und C nicht mehr erkennbar. Allerdings zeigen sich bei den Daten der 400 MHz-Antenne Bereiche mit zahlreichen Reflexionen, wie sie an den Grenzen einzelner Steine entstehen. Diese Bereiche zeigen damit indirekt den von Mauerwerk erfüllten Raum an. Das Fehlen der Reflexionen an der Rückwand ist auf den reduzierten Materialkontrast zwischen Mauerwerk und Hinterfüllung zurückzuführen.
Bei den Messungen an der Mauer Eggental konnte in den ausgeführten Vertikalprofilen des Trockenmauerwerks keine eindeutige Rückwandreflexion festgestellt werden. Allerdings ergaben sich auch hier Bereiche, die durch deutliche Reflexionen gekennzeichnet waren und als Reflexionen an den Grenzen grösserer Blöcke interpretiert werden. Der Rückbau der Mauer Eggental in diesem Bereich zeigt auf, dass hinter einer ersten Lage mit meist recht grossen Blöcken eine Steinpackung eingebracht wurde. Diese Steinpackung dürfte sich hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit weder signifikant von den grossen Mauerwerkssteinen noch vom hinter der Steinpackung anstehenden Fels unterscheiden, was zwangsläufig dazu führt, dass hier keine klaren Rückwandreflexionen entstehen.
Bei den Messungen mit dem Georadar an Einzelsteinen konnten sowohl am Mauerwerksprobekörper als auch an der Mauer Eggental die Steintiefen mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden, so dass Lage und Position von Bindersteinen im Mauerwerk ermittelt werden konnten.

Transmissionsmessung mit akustischen Wellen
Solange das Stützbauwerk noch nicht hinterfüllt war, konnte eine direkte Transmissions- oder Durchschallungsmessung durchgeführt werden. Dabei ergaben sich für das vermörtelte Mauerwerk des Teils B Wellengeschwindigkeiten zwischen ca. 4000 m/s und 5500 m/s. Die niedrigen Geschwindigkeiten konnten Bereichen mit einem hohen Anteil an Mörtel und kleinstückigem Steinmaterial zugeordnet werden, während die hohen Geschwindigkeiten in Zonen mit einem hohen Anteil an kompakten Mauerwerkssteinen erreicht wurden. Im Mauerwerkskörper ergab sich somit eine signifikante Variation der Wellengeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Mauerwerksaufbau. Die Wellengeschwindigkeit des Gesteins liegt mit 5750 ± 150 m/s, wie erwartet, höher als die des Mauerwerks und wurde ebenfalls aus 5 Messungen ermittelt.
Auf der Wandoberfläche des Mauerwerksprobekörpers wurden indirekte Transmissionsmessungen ausgeführt. Dabei zeigten sich signifikante Unterschiede bei den empfangenen Signalen in den Bereichen B, vermörteltes Mauerwerk, und C, mit Sand versetztes Mauerwerk. Im Teil A mit Trockenmauerwerk konnten mit dieser Messanordnung keine auswertbaren Signale aufgenommen werden.

Impact Echo Verfahren
Die von Sansalone gefundene Formel für die Dickenbestimmung von Betonplatten kann nicht so ohne weiteres auf eine Natursteinmauer angewendet werden. Während sich im Impact Echo Spektrum für eine Betonplatte lediglich ein signifikanter Frequenzpeak einstellt, ergeben sich bei einem Natursteinmauerwerk eine ganze Reihe von Frequenzpeaks als Folge der Eigenfrequenzen der Mauerwerkssteine und der Wandstärke. Auch die Formeln von Lin & Sansalone für langgestreckte Betonbalken mit einem rechteckigen Querschnitt konnten nicht direkt angewendet werden. Um das auf empirischen Formeln basierende Impact Echo Verfahren auch auf quaderförmige Prüfobjekte, d.h. auf Mauerwerkssteine, anwenden zu können, musste ein neuer theoretischer Ansatz für dieses Verfahren gefunden werden. Mit Hilfe der Helmholtz-Gleichung und deren Lösung für einen Quader mit schallharten Wänden konnte ein neuer Weg für die Identifizierung der Frequenzpeaks in den Spektren beim Impact Echo Verfahren aufgezeigt werden. Damit wurde eine einfache Identifizierung von Peaks im Frequenzspektrum von quaderförmigen Prüfobjekten möglich, ohne dass, wie bisher, aufwändige numerische Berechnungen angestellt werden müssen. Mit diesem Verfahren lässt sich die Steintiefe eines Mauerwerkssteins ermitteln, wenn dessen sichtbare Abmessungen im Haupt gemessen wurden und die Wellengeschwindigkeit bekannt ist.
Durch die vorstehend skizzierte Vorgehensweise konnten sowohl am Mauerwerksprobekörper als auch an der Mauer Eggental die Steintiefen von Einzelsteinen mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden, so dass Lage und Position von Bindersteinen im Mauerwerk ermittelt werden konnten.
Mit dem identifizierten Frequenzpeak der p-Welle und der „Plattenformel“ von Sansalone konnte die Wandstärke des Mauerwerksprobekörpers mit einem Fehler von ca. 20% ermittelt werden.

Spektralanalyse von Oberflächenwellen SASW (Rayleigh-Wellen)
Die Messauslage für SASW-Messungen richtet sich nach der zu erkundenden Mauerwerksstärke, d.h. je grösser die Mauerwerksstärke, umso grösser muss die Messauslage gewählt werden. Am Mauerwerksprobekörper konnten daher nur Messungen für das oberste Drittel der Mauer im Bereich B, vermörteltes Mauerwerk, ausgeführt werden. Die Messungen ergaben hier eine Wandstärke von 0,58 cm was sehr genau der tatsächlichen Wandstärke entspricht. Für die beiden unteren Drittel des Mauerwerksprobekörpers ergibt sich eine Messauslage, die über den vermörtelten Bereich des Probekörpers hinausreicht, was zur Folge hat, dass kein Signal zu den Sensoren übertragen wird.
An der Mauer Eggental befindet sich im Anschluss des Bereichs, der instand gesetzt werden musste, ein Mauerwerksteil mit vermörtelten Fugen. Aufgrund der vermörtelten Fugen wurde zunächst angenommen, dass es sich hierbei um vermörteltes Mauerwerk handelt. An diesem Mauerwerksteil der Mauer Eggental wurden Messungen mit SASW ausgeführt. Leider stellte sich heraus, dass bei den Sensoren keine Signale ankamen. Auch das Versetzen der SASW-Messauslage änderte nichts an diesem Ergebnis. Der Teilabbruch der Mauer Eggental liefert dann die Erklärung für dieses Messergebnis. Das Mauerwerk war lediglich im Haupt bis in eine Tiefe von ca. 15 bis 18 cm vermörtelt, auch bei diesem Teil des Stützbauwerks handelt es sich also um eine Trockenmauer.

Als Ergebnis dieses Forschungsprojektes lässt sich festhalten, dass es kein Verfahren gibt, welches für alle Arten von Stützbauwerken aus Natursteinmauerwerk gleich gut geeignet ist.

Messverfahren mit akustischen Wellen sind in der Regel für Trockenmauerwerk nicht geeignet, da keine ausreichende Energieübertragung stattfindet und somit Mauerwerksstärke und Form des Wandquerschnitts einer Trockenmauer mit diesen Verfahren nicht ermittelt werden können. Mit dem Georadar können Mauerwerksstärke und Form des Wandquerschnitts einer Trockenmauer ermittelt werden, sofern ein ausreichender Kontrast in der elektrischen Leitfähigkeit zwischen Mauerwerk und Hinterfüllung besteht. Ist der Kontrast in der elektrischen Leitfähigkeit gering, so geben die Zonen mit Reflexionen zwar nicht die exakten Umrisse des Querschnitts wieder, man erhält aber doch zumindest eine Vorstellung von der ungefähren Wandstärke.

Bei vermörteltem Mauerwerk mit einer Lockergesteinshinterfüllung besteht normalerweise ein signifikanter Kontrast in den Wellengeschwindigkeiten zwischen Mauerwerk und Lockergestein. Hier bestehen somit sehr gute Chancen Mauerwerksstärke und Form des Wandquerschnitts mit dem Impact Echo Verfahren oder mit SASW zu bestimmen. Beim Georadar kann es bei hohem Wassergehalt im Mauerwerk und / oder Kalkmörtel im Mauerwerk zu so starker Dämpfung des Signals kommen, dass keine Reflexionen von der Wandrückseite mehr erkennbar sind und damit die Wandstärke bzw. die Form des Wandquerschnitts nicht ermittelt werden können.

Nicht in jedem Fall wird es möglich sein mit zerstörungsfreien Prüfverfahren die Mauerwerksstärke und Form des Wandquerschnitts zu bestimmen. Dies gilt insbesondere dann, wenn sogenannte schleichende Übergänge vorhanden sind, d.h. es ist kein deutlicher Abfall oder Anstieg in den Materialparametern vorhanden, wie z.B. bei der Steinpackung zwischen Mauerwerk und Fels bei der Mauer Eggental.
Zur Untersuchung des Querverbands des Mauerwerks, d.h. der Ermittlung der Steintiefe und damit der Ermittlung der Anzahl und Verteilung der Bindersteine im Mauerwerk, können sowohl das Impact Echo Verfahren als auch das Georadar eingesetzt werden. Mit beiden Verfahren können Bindersteine im Mauerwerk mit ausreichender Genauigkeit ermittelt werden.

Kister, B.: Der Einsatz von zerstörungsfreien Prüfverfahren zur Bestimmung der konstruktiven Eigenschaften bei älteren Stützbauwerken aus Natursteinmauerwerk, Bericht Nr. 1120785/1, CC KI, Hochschule Luzern – Technik & Architektur, 2014;
Hugenschmidt, J.: Natursteinmauern – Georadar, Bericht 3610506 zum Forschungsprojekt, Fachstelle Konstruktion und Bauwerkserhaltung, Hochschule für Technik Rapperswil, 2014;
Kister, B.; Hugenschmidt, J.: Ein-Blick in die Mauer - Beurteilung von alten Stützbauwerken aus Natursteinmauerwerk mit Rating-System und zerstörungsfreien Prüfverfahren, 9. Kolloquium Bauen in Boden und Fels, Technische Akademie Esslingen, Ostfildern, 14. und 15. Januar 2014;
Kister, B.: Beurteilung von alten Stützbauwerken mit Rating-System und zerstörungsfreien Prüf-verfahren, 19. Tagung für Ingenieurgeologie, TU München, 13. - 16. März 2013;
Hugenschmidt, J.; Kister, B.: Abklärung der konstruktiven Eigenschaften von Natursteinmauern mit zerstörungsfreien Prüfverfahren - Teil I: Georadar, 73. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, Universität Leipzig, 04 - 07. März 2013;
Kister, B.; Hugenschmidt, J.: Abklärung der konstruktiven Eigenschaften von Natursteinmauern mit zerstörungsfreien Prüfverfahren – Teil II: Akustische Wellen, 73. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, Universität Leipzig, 04 - 07. März 2013;
Fontana, O.; Kister, B.: Erhaltung in der Geotechnik: eine kurze Einführung in die Norm SIA 269/7, Dokument SIA D-0240, Erhaltung von Tragwerken – Vertiefen und Anwendung, SIA Zürich, 2011;
Kister, B.; Zimmermann, M.; Hunziker, G.: Wildbachverbauung Lammbach: Zuverlässigkeitsanalyse von 100-jährigen Geschiebesperren und ihr Einfluss auf die Gefahrenkarte, 18. Tagung für Ingenieurgeologie, TU Berlin, 16. - 19. März 2011;
Kister, B.; Zimmerli, B.; Fellmann, W.: Über die Problematik einer systematischen Bewertung des Zustandes von älteren Stützbauwerken aus Natursteinmauerwerk, 6. Kolloquium Bauen in Boden und Fels, Technische Akademie Esslingen, Ostfildern, 22. und 23. Januar 2008;
Kister, B.; Zimmerli, B.; Fellmann, W.: Stützbauwerke aus Natursteinmauerwerk – systematische Bewertung des Zustandes, Strasse und Verkehr, Heft 10, 2006;
Stoll, G.: Stützmauern in Trockenmauerwerk, http://www.trockensteinmaurer-verband.ch, 2004

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